基于单片机的功放毕业设计

目 录

1 绪论……………………………………………………………………………………2

1.1 当前功放发展状况……………………………………………………………2 1.2 设计要求…………………………………………………………………………2 1.3 本人的主要工作…………………………………………………………………3 2 系统总体方案设计与论证……………………………………………………………4 2.1 系统总体方案设计………………………………………………………………4 2.2 电压放大电路……………………………………………………………………4 2.3 功率放大电路……………………………………………………………………4 2.4 控制芯片的选择…………………………………………………………………4 2.5 显示装置的选择…………………………………………………………………4 2.6 功率检测电路……………………………………………………………………5 2.7 AD的选择…………………………………………………………………………6 3 系统具体电路设计………………………………………………………………………7 3.1 电压放大电路的设计……………………………………………………………7 3.2 带阻滤波电路的设计……………………………………………………………7 3.3 输出级电路设计…………………………………………………………………8 3.4 电源功率检测电路的设计……………………………………………………9 3.5 单片机最小系统………………………………………………………………11 3.6 系统软件流程图………………………………………………………………13 4 测试结果………………………………………………………………………………14 参考文献…………………………………………………………………………………15 致谢………………………………………………………………………………………16 附录………………………………………………………………………………………17

1 绪 论

1.1 当前功放发展状况

音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。 1906年美国人德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。1927年贝尔实验室发明了负反馈技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如\威廉逊\放大器，较成功地运用了负反馈技术，使放大器的失真度大大降低，至50年代电子管放大器的发展达到了一个高潮时期，各种电子管放大器层出不穷。由于电子管放大器音色甜美、圆润，至今仍为发烧友所偏爱。

70年代的中期，日本生产出第一只场效应功率管。由于场效应功率管同时具有电子管纯厚、甜美的音色，以及动态范围达90dB、THD<0.01%（100kHz时）的特点，很快在音响界流行。现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出。 80年代,数字功放成为了新一代的宠儿,随着晶体管制造技术的不断提高和新技术的应用，各项实用性指标和可靠性指标都有很大改善，并不断在向更大的输出功率，更小的体积，更轻的重量，更多的功能和智能化方向发展，如美国CROWN公司的MA-5000VZA功放，其最大输出功率可达4000W/8Ω（桥接，单通道）；完善的可靠性设计使它在苛刻的环境中可连续工作，使得生产者可作3年免维护的保证；插入可编程的输入处理模块USP3；可对1-2000台功放的工作状态进行程控调节和各种参数检测。各种完善的可靠性保护措施，使它的可靠性大大提高，可与电子管功放媲美。

数字功放的概念早在20世纪60年代就有人提出了，由于当时技术条件的限制，进展一直较慢。1983年，M.B.Sandler等学者提出了D类放大的PCM（脉码调制）数字功放的基本结构。主要技术要点是如何把PCM信号变成PWM（脉冲调宽信号）。美国Tripass公司设计了改进的D类数字功放，取名为“T”类功1999年意大利POWERSOFT公司推出了数字功放的商业产品，从此，第4代音频功率放大器，数字功放进入了工程应用，并获得了世界同行的认可，市场日益扩大，最终将替代各类模拟功放。

1.2 设计要求

1.2.1 设计任务书

设计并制作一个低频功率放大器，要求末级功放管采用分立的大功率MOS晶体管。

1.2.2 基本要求

（1）当输入正弦信号电压有效值为5mV时，在8Ω电阻负载（一端接地）上，输出功率≥5W，输出波形无明显失真。

（2）通频带为20Hz～20kHz。 （3）输入电阻为600Ω。

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（4）输出噪声电压有效值V0N≤5mV。 （5）尽可能提高功率放大器的整机效率。

（6）具有测量并显示低频功率放大器输出功率(正弦信号输入时)、直流电源的供给功率和整机效率的功能，测量精度优于5%。

1.2.3 发挥部分

（1）低频功率放大器通频带扩展为10Hz～50kHz。 （2）在通频带内低频功率放大器失真度小于1%。

（3）在满足输出功率≥5W、通频带为20Hz～20kHz的前提下,尽可能降低输入信号幅度。

（4）设计一个带阻滤波器，阻带频率范围为40～60Hz。在50Hz频率点输出功率衰减≥6dB。

1.2.4 说明

（1）不得使用MOS集成功率模块。

（2）本题输出噪声电压定义为输入端接地时，在负载电阻上测得的输出电压，测量时使用带宽为2MHz的毫伏表。

（3）功率放大电路的整机效率定义为：功率放大器的输出功率与整机的直流电源供给功率之比。电路中应预留测试端子，以便测试直流电源供给功率。

（4）发挥部分（4）制作的带阻滤波器通过开关接入。

（5）设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序用附件给出。

1.3 本人的主要工作

根据设计要求完成该项目方案论证，设计总体方案与具体电路，制作实物电路，并进行实物结果测试。使各项性能指标实现设计要求。

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2 系统总体方案设计与论证

2.1 系统总体方案设计

根据本课题要求，设计的低频功率放大器应由以下几部分组成：稳压电源、阻抗匹配、前置放大、低通滤波、带阻滤波、功率放大以及一个通过AT89S52单片机控制的显示电路。

系统总体框图如图2.1所示。

输入信号ui阻抗匹配前置放大低通滤波带阻滤波8Ω负载功率放大负载电压取样真有效值转换AD637直流稳压电源电压取样电流取样

信号调理信号调理电压跟随模数转换AD574模拟开关单片机LCD显示图2.1 系统总体框图

4051键盘

2.2 电压放大电路

方案一：采用两级放大。 方案二：采用三级放大。

根据题目的要求频带要求是50KHz，放大倍数是1265倍，则增益带宽积要大于1265*50=63.25M，需要选择增益带宽积100M以上的运放，根据放大倍数的要求，若两级放大，每一级放大的倍数为36。若采用三级放大，每一级放大的倍数约为11，用两级放大可以减小噪声，却会牺牲频带宽度，若用三级放大，虽然会增大噪声，却可以满足题目带宽的要求，根据题目的要求综合考虑选择方案二。

2.3 功率放大电路

方案一：选择甲类。 方案二：选择乙类。 方案三：选择甲乙类。 方案四：选择丙类。

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方案五：选择丁类。

甲类效率很低，约20%左右，但是其失真度可以做的非常小，如0.1%，如果效率没做评分要点，可以考虑；乙类的只能有半周输出，失真度太大所以不能采用，效率最高也只有50%；甲乙类是解决甲类的效率和乙类的失真度的综合途径，效率理想情况下可以达到78.5%；丙类肯定不用了，那是高频功率放大器专用的类型，这里是低频的（10Hz~50KHz），所以不能采用；丁类的（就是所谓的D类）采用H桥的开关方式工作，输入的信号要进行PWM（PWM是脉冲宽度调制），H桥输出后是一个开关量，要经过LC滤波转变为模拟量，再传送给扬声器。这种方法效率极高，但是电路复杂，调试困难，且效率不做评分的主要依据，建议舍弃这种方案。

经过综合权衡考虑，宜采用甲乙类比较合适。故选择方案三。

2.4 控制芯片的选择

方案一：选用AVR单片机Atmega128L，Atmega128L是高性能、低功耗的 AVR 8 位微处理器，64引脚。采用先进的 RISC 结构，具有133 条指令，大多数可以在一个时钟周期内完成。它具有两个独立的预分频器和比较器功能的8 位定时器/计数器和两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/计数器及具有独立预分频器的实时时钟计数器。片内带有模拟比较器。具有上电复位以及可编程的掉电检测功能。其片内资源丰富，具有：8个外部中断， 4个定时计数器，53个I/O口，可解除I/O口资源不足的困难。其引脚大多数都有具有第二功能，功能强大。

方案二：采用AT89S52单片机，AT89S52 单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。AT89S52有5个中断源，和3个定时计数器。

方案三：采用FPGA（现场可编辑门列阵）作为系统控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，并且可利用EDA软件进行仿真和调试。FPGA采用并行工作方式，提高了系统的处理速度，常用于大规模实时性要求较高的系统。

方案比较：根据题意的要求，本系统中对于控制芯片IO口的要求不是很多，而且不需要很高的处理速度，从经济的角度和实际的效益，我们选择了方案二。

2.5 显示装置的选择

方案一：采用美信公司的MAX7219是一款串行共阴极数码管动态扫描显示的驱动芯片，其峰值段电流可达到40mA最高串行扫描频率10MHz，典型扫描频率为1.3MHz，仅用3线串行接口传送数据，可直接与单片机接口，用户可以方便地修改其内部参数以实现多位LED显示。它内含硬件动态扫描显示控制电路，每片芯片可同时驱动8位共阴LED。点是控制比较简单，而且串行显示只占用很少的I/O口。

方案二：采用点阵型LCD显示，点阵型LCD虽然占用的I/O口资源多，控制比

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